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Mcanique des Sols II

Chapitre 3 1

ESSAIS ET MESURES IN-SITU

1 INTRODUCTION La dtermination des caractristiques d'un sol ncessite la ralisation d'essais. Certains

essais (relatifs au comportement court terme), peuvent tre effectus de deux faons :

- Au laboratoire aprs prlvement dchantillons intacts (ou non remanis) ; - Au sein du massif de sol, par un essai en place ou in situ.

Les essais permettant la dtermination des caractristiques long terme sont raliss au laboratoire sur des chantillons de sol intacts. Les avantages de lessai in situ sont les suivants :

- Son excution est rapide, donc on peut le multiplier pour permettre une meilleure reconnaissance du sol ;

- Il est parfois le seul raliser lorsquon ne peut pas extraire des chantillons intacts ; - Il donne des rsultats globaux par rapport aux essais de laboratoire qui donnent des

rsultats discontinus.

2 PRELEVEMENTS DES SOLS On distingue traditionnellement parmi les procdures de prlvement dchantillons de

sols celles qui donnent des chantillons intacts (ou non remanis) et celles qui fournissent des chantillons de sols remanis, cest dire qui ont perdu tout ou partie de leurs proprits mcaniques et mme de leurs constituants. On obtient des chantillons remanis lorsque le forage est fait laide dune tarire : tube cylindrique avec une paroi extrieure hlicodale lorsquon opre avec un camion de sondage, il existe aussi la tarire manuelle dont lutilisation est limite une profondeur de 3 m.

Elments de tarire

Tari

re

mai

n

Tari

re C

ontin

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Pour rcuprer des chantillons intacts on ralise un forage selon lune des deux faons suivantes :

- Avec une sondeuse munie dun carottier prise dchantillons ; le carottage est fait dune manire continue. Le prlvement est ralis dune manire continue ou par endroits. Lchantillon de sol prlev est immdiatement recouvert dune couche de paraffine pour viter les pertes de teneur en eau, puis il est mis dans un tui.

Coupe schmatique d'un carrotier

- En ralisant une fouille dans le sol avec une pelle utilise. Lchantillon est

prlev en enfonant dans le sol, et laide dune masse, une bote cubique (ou cylindrique). Le prlvement est fait par endroits des profondeurs dtermines. L'chantillon est immdiatement recouvert de paraffine et par deux couvercles afin d'viter les pertes de teneur en eau.

Les chantillons obtenus servent le plus souvent faire des essais de rsistance, comme ils peuvent servir pour faire des essais didentification.


Chapitre 3 3

3 ESSAIS IN-SITU Il y en a plusieurs, on dcrira quelques uns qui sont les plus utilises en pratique.

3.1 LE SCISSOMETRE (VANE TEST) Le scissomtre est utilis pour dterminer la cohsion non draine pour les sols mous purement cohrents (vase, tourbe, argile molle). Lappareil est constitu dune tige munie son extrmit de deux palettes verticales de mmes dimensions et perpendiculaires entre elles. Lessai consiste enfoncer lappareil par un vrin la profondeur voulue, puis appliquer un moment de torsion M sur la tige. Un cisaillement cylindrique se produit dans le sol le long de la directrice du cylindre de rayon 0r , analogue au cisaillement rectiligne obtenu (suivant un plan) par la bote de cisaillement. Au cours de cet essai on suit lvolution de langle de rotation en fonction du moment M. Remarques :

1. Le scissomtre est un appareil dutilisation courante. 2. uC est une fonction de la contrainte de consolidation, on peut donc dterminer la

variation de uC avec la profondeur. 3. Il existe deux autres formes de cet appareil : le scissomtre de laboratoire, et le

scissomtre de poche.

Coupe schmatique dun scissomtre.

3.2 PENETROMETRE DYNAMIQUE (SPT) Un pntromtre dynamique est un appareil constitu essentiellement par un train de tiges, lextrmit infrieure duquel est place une pointe conique dun diamtre suprieur celui du train de tiges.


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Lessai au pntromtre dynamique consiste enfoncer dans le terrain par battage un carottier de conception et de dimension normalises. On compte le nombre de coups de mouton ncessaires pour enfoncer le carottier sur une certaine profondeur. Une fois plein, le carottier est remont la surface, vid de sa carotte puis redescendu au fond du forage. Lopration est rpte sur toute la hauteur du profil tester. Lessai permet, dune part, de tracer un profil de pntration et, dautre part, de fournir des chantillons de sol remanis qui peuvent servir la reconnaissance des horizons traverss et sur lesquels on peut pratiquer les essais didentification classiques (granulomtrie, limites dAtterberg et teneur en eau). Lessai est dutilisation courante dans les pays anglo-saxons et notamment aux USA, o il a t mis au point dans les annes 1930. Dans ces pays, il est connu sous le nom de Standard Penetration Test (SPT). Cet essai est conu essentiellement pour dterminer la capacit portante dun pieu (lment de fondation profonde), et peut servir pour estimer la capacit portante dune fondation superficielle. Lors de la reconnaissance des sols il donne aussi une ide sur la nature des couches traverses.

Schma de principe dun pntromtre dynamique (SPT)

Le carottier est battu par lintermdiaire dun train de tiges. Le battage seffectue par passes successives laide dun marteau de 63,5 kg qui tombe en chute libre dune hauteur de 76 cm sur la tte du train de tiges. La profondeur de chaque passe de pntration est de 45 cm. Durant le battage, on note trois enfoncements successifs :

lenfoncement de mise en place : cest lenfoncement du carottier sous son propre poids et sous celui du train de tiges et du dispositif de battage ; la pntration est poursuivie immdiatement si ce premier enfoncement dpasse 45 cm ;

lenfoncement damorage : le carottier est enfonc de 15 cm sous leffet de N0 coups de mouton ;

lenfoncement dessai : le carottier est enfonc de deux fois 15 cm sous leffet de N1 puis N2 coups de mouton.


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Le nombre N= N1 + N2 est appel rsistance la pntration (au carottier standard). Les rsultats sont prsents sous forme de tableau, comme indiqu par la norme, et ventuellement sous forme dune courbe de variation de N en fonction de la profondeur.

La norme prcise que lessai ne sapplique quaux sols dont la dimension des plus gros lments ne dpasse pas 20 mm, dont la Valeur N est comprise entre 0 et 50 et pour des profondeurs dinvestigation ne dpassant pas 50 m.

Profil de pntration au SPT

3.3 PENETROMETRE STATIQUE Lessai au pntromtre statique consiste foncer verticalement dans le terrain, vitesse lente et constante, un train de tiges termin sa base par une pointe conique gnralement de mme diamtre que les tiges.

Pointe

manchonU2

U1


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Par un procd quelconque, mcanique, lectrique ou hydraulique, on mesure suivant un pas de profondeur donn, la rsistance oppose par le sol la pntration de cette pointe, appele en consquence rsistance de pointe statique (ou rsistance de cne) et note qc. Simultanment, on mesure leffort oppos lenfoncement de lensemble pointe et tiges. Cet effort est appel effort total et not qt. Il comprend dune part leffort de pointe et dautre part leffort de frottement latral, qui sexerce sur toute la hauteur du train de tiges. Le pntromtre statique a t dvelopp initialement en Hollande, o lon trouve des formations meubles de sols fins de forte paisseur (plusieurs dizaines de mtres) pour ltude desquelles ce type dappareil est particulirement bien adapt.

3.4 PRESSIOMETRE MENARD Cet essai consiste dilater radialement une cellule cylindrique place dans un forage pralable. Le pressiomtre Mnard comprend deux parties principales : la sonde et lunit de contrle, dite contrleur pression-volume , en abrg CPV. Ces deux parties sont relies par des tubulures semirigides de plastique.


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La sonde se compose de trois cellules indpendantes, montes autour dune me mtallique :

la cellule centrale, dite cellule de mesure, qui contient de leau et dont la mise en pression en cours dessai provoque la variation de volume ;

les cellules de garde, qui contiennent du gaz et qui encadrent la cellule de mesure ; la mise en pression des cellules de garde en cours dessai est ralise simultanment celle de la cellule de mesure, de manire maintenir la forme globalement cylindrique de la sonde ; ainsi, la dformation de la cellule de mesure est uniquement radiale et lessai pressiomtrique est un essai en dformation plane.

Daprs leur conception technologique, on distingue deux principaux types de sondes, qui sont : les sondes cellules superposes, connues commercialement sous le nom de sondes E ; les sondes cellules embotes, connues commercialement sous le nom de sondes G.

cellule pressiomtrique

Contrleur pression volume


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Aprs avoir ralis le forage, la sonde pralablement talonne est descendue dans le forage la cote prvue pour lessai, puis elle est mise en pression par loprateur par paliers de pression dincrments gaux, maintenus chacun pendant une minute. Pour chaque palier de pression, loprateur note la quantit deau qui quitte le CPV, au bout de 15 s, 30 s et 1 min. Cette quantit deau est utilise la fois pour dformer le terrain (cest le phnomne que lon veut mesurer) et pour compenser les effets parasites dus la dilatation de lensemble des conduits du pressiomtre et la compressibilit de leau du systme. Le mode opratoire impose que la pression limite du sol soit atteinte au bout de dix paliers de pression (environ). Cela implique que loprateur connaisse a priori cette valeur. Il la dduit en pratique des informations sur le terrain obtenues lors de la mise en place de la sonde et de son exprience. Une fois la pression limite atteinte (ou les capacits maximales de pression de lappareil mobilises), la sonde est dgonfle et dplace la nouvelle cote dessai dans le forage, et ainsi de suite jusqu la profondeur maximale fixe. Une courbe dite courbe pressiomtrique (aussi appele courbe dexpansion ) est obtenue en portant en abscisse la pression p dans la cellule de mesure et en ordonne la variation de volume v la fin du palier de pression correspondant. On appelle courbe brute la courbe reprsentant les valeurs (pm, vm) releves sur le terrain par loprateur (ou enregistres par lenregistreur). On appelle courbe corrige la courbe (p,v) obtenue aprs application de corrections diverses ces valeurs. Ces corrections concernent :

les variations parasites de volume (dilatation du CPV et des canalisations diverses, compressibilit de leau) ; elles sont values par talonnage, en dilatant le systme alors que la sonde est place dans un tube dacier indformable ;

la rsistance propre de la sonde ; cest la rsistance que les membranes des cellules opposent la dformation ; elle est dtermine par dilatation de la sonde lair libre ;

la hauteur pizomtrique ; la pression mesure au niveau du CPV doit tre majore de la pression correspondant au poids de la colonne deau entre ce CPV et le milieu de la cellule de mesure.

La courbe pressiomtrique (figure ci-dessous) se compose de deux branches, chacune concavit monotone, se raccordant en un point dinflexion not (pr, vr) o pr est appele pression de recompaction :

la premire branche, concavit tourne vers laxe des pressions, correspond la phase o la rponse du massif est gouverne, pour lessentiel, par le serrage progressif du terrain au bord du trou (ce terrain a t dcomprim et remani par lopration de forage) ;

la deuxime branche, concavit tourne vers laxe des volumes, traduit au contraire une dstructuration progressive du massif en raison de la nature et de lintensit du champ de contrainte dviatorique qui lui est impos.


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Les rsultats exprimentaux relevs par loprateur ou enregistrs sont interprts soit manuellement , soit le plus souvent par ordinateur. Dans ce dernier cas, le programme calcule la courbe corrige quil prsente lcran et sur imprimante puis les caractristiques pressiomtriques EM et pl. Les valeurs de EM et pl dtermines sur un forage sont ensuite prsentes sur un profil en fonction de la profondeur z. Ce profil est appel profil pressiomtrique (figure ci-dessous). En plus des caractristiques pressiomtriques, ce profil indique la nature des sols rencontrs ainsi que le niveau ventuel de la nappe deau souterraine, ces informations tant obtenues lors du forage pralable ncessaire la mise en oeuvre de la sonde. Loutil de forage utilis est galement indiqu.

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